1. transistor de junção bipolar

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CAMPUS CHAPECÓ
CURSO TÉCNICO EM ELETROELETRÔNICA
1. TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR
Criado em 1947 (Bell Telephone). Mais leve, menor, sem perdas por aquecimento, mais robusto e eficiente
que a válvula.
6.1 Construção
- Dispositivo semicondutor formado por duas camadas de um material semicondutor intercaladas por outro.
- Portadores: cargas negativas (elétrons) ou positivas (ausência de elétrons) que facilitam a condução de
corrente nos materiais semicondutores.
- Material P: portador majoritário é a lacuna(+), minoritário é o elétron(-) (em menor número).
- Material N: portador majoritário é o elétron(-), minoritário é a lacuna(-) (em menor número).
- Existem dois tipos de transistor: NPN e PNP
Figura 1 - Tipos de transistores: (a) pnp e (b) npn.
Relação entre a largura total e a camada central: 150:1.
Notação:
E = emissor de portadores (+ no material P / - no material N)
C = coletor de portadores
B = base – controle do fluxo dos portadores
6.2 Operação física
6.2.1 Polarização Emissor-Base (EB)
- Polarização direta da junção EB = polarização direta de um diodo = elevada corrente.
v
i  I S (e nVT  1)
Figura 2 - Polarização direta EB
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6.2.2 Polarização Coletor-Base (CB)
- A junção CB é polarizada reversamente = polarização reversa de um diodo = corrente insignificante.
i  IS
Figura 3 - Polarização Reversa BC.
6.2.3 Polarizando as duas junções
- Cargas (+) são injetados na base. - Como VEC  VEB , grande parte das cargas é atraída para o coletor. Pequena parte das cargas vai para a base - baixa corrente (uA a mA).
Figura 4 - Polarização das duas junções.
De acordo com LCK: I E  I B  I C . Nos transistor NPN, o sentido das correntes é invertido.
Exercício:
1) Represente a polarização do transistor NPN.
6.3 Símbolo elétrico
- A seta dentro do círculo identifica o emissor e o sentido da corrente.
Figura 5 – Símbolo elétrico do transistor: (a) transistor pnp, (b) transistor npn.
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6.4 Configuração Emissor Comum
- Configuração mais utilizada;
- O emissor é o terminal comum entre a entrada e a saída;
(a)
(b)
Figura 6 - Configuração emissor comum: (a) transistor pnp, (b) transistor npn.
6.4.1 Curva de entrada
- relaciona a corrente de entrada (IB) versus a tensão base-emissor (VBE).
- para o transistor operando na região ativa, VBE fica entre 0,6 a 0,8V e pode-se considerar VBE=0,7V.
Figura 7 - Configuração EC: curva de entrada.
6.4.2 Curva de saída
- Relaciona a corrente de coletor (I C) versus tensão coletor-emissor (VCE) para uma faixa de valores de
corrente de base (IB).
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Figura 8 - Curva de saída EC.
6.4.3 Beta (β)
-  CC (ou hFE na folha de dados): relação entre I C e IB para um ponto de operação.
- É quantas vezes a corrente de coletor será maior que a corrente de base.
- Os dispositivos apresentam beta cc entre 50 e 400.
 CC 
IC
IB
6.4.5 Efeito amplificação
- O que torna o transistor útil, é que a corrente de base pode controlar a corrente de coletor;
- Normalmente utiliza-se um resistor na base para controlar a corrente;
- O emissor é o terminal comum, conectado ao terra;
- A carga é colocada no coleto;
Desta forma a corrente de entrada é definida por:
IB 
VBB 2, 2  0,7

 833,33uA
RB
1800
Considerando que o transistor possui   350 :
I C   I B  350 x833,33.106  291mA
portanto I L  291,8mA . A tensão na carga será:
VL  I L .RL  291mA.40  11,66V
O ganho de tensão:
AV 
O ganho de corrente:
VL 11, 66

 5,8
Vi
2
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AI 
IL
291,8.10 3

 350
Ii 833,33.106
RC
40R
RB=1k8
C IC
B
IB
VBB=2,2V
E IE
VBE=0,7V
VCC=12V
IE≈IC
Figura 9 - Amplificador EC.
Exercícios:
2) Para o circuito básico emissor comum, faça os seguintes cálculos:
a) Se VBB=10V e RB=100K, qual o valor de I B?
b) Se β=100, qual o valor de IC?
3) Um transistor opera com IB=1,55uA e IC=20mA. Qual o valor de β?
6.5 Reta de carga
Permite analisar a excursão de saída do transistor (IC e VCE).
Sendo VCE  VCC  RC .I C , analisa-se 2 extremos:
1. Considerando I C  0 temos VCE  VCC (tensão de corte)
2. Considerando VCE  0 temos I C  VCC / RC (corrente de saturação I Csat).
c
Figura 10 - Reta de carga
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Exemplo:
Para o exemplo anterior, onde Rc=40R e Rb=1800R construa a linha de carga no gráfico IC x VCE e meça IC e VCE
quiescentes (de operação).
Solução: Os dois pontos da reta de carga são:
Corrente de saturação VCE = 0, então IC = VCC / RC = 12 V / 40= 300mA
Tensão de corte IC = 0, então VCE = VCC = 12 V
A corrente de base vale: I B  VBB / RB  (2,2  0,7) /1800  833,33uA
Portanto:
IC   I B  350 x833,33.106  291mA
A tensão coletor-emissor: VCE  VCC  I C .RC  12  11,66  0,34V
O transistor opera com VCE=0,34V e IC=291mA. A corrente máxima que pode passar pelo transistor é 300mA
quando VCE=0V. A tensão máxima entre coletor e emissor pode chegar a 12V quando IC=0.
6.6 Regiões de operação
Figura 11 – Regiões de operação na curva EC.
Ponto A: Região Ativa – um aumento em IB resulta em um aumento em IC.
1V<VCE e IB>0
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Ponto B: Região de Saturação - um aumento em IB não irá aumentar IC .
VCE < 1V e IB>0
Ponto C: Região de Corte – o transistor não conduz.
IC≈0A , VCE=VCC e IB=0
Exercício:
3) No exemplo anterior, qual a região de operação do transistor?
6.7 Limites de operação
Os limites básicos são:
1. Corrente máxima de coletor ICmax;
2. Tensão máxima entre coletor e emissor VCEmax geralmente indicado como VCEO ou V(BR)CEO;
3. Valor máximo de dissipação de potência PCmax , indicado como PD;
A potência dissipada pelo transistor (maior parte no coletor) pode ser calculada por:
PC  VCE .I C
Exemplo:
A tabela abaixo mostra os limites do transistor BD139:
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6.8 Circuitos de chaveamento com transistor
Considere o circuito abaixo, onde se deseja acionar uma carga a partir de um circuito de controle.
Figura 12 - Exemplo de circuito de acionamento.
Quando o circuito de controle aplica na base tensão igual a zero, tem-se IB=0 que leva o transistor ao corte,
ie., IC=0. Isso equivale a dizer que o transistor possui uma resistência muito alta, se comportando como uma chave
aberta.
Figura 13 - Transistor em corte.
Quando o circuito de controle aplica tensão na base do transistor, a corrente de base IB deve ser suficiente
para levar o transistor a saturação, i.e., VCE=0. Isto equivale a dizer que o transistor se comporta como uma chave
fechada, já que a tensão entre coleto e emissor é próxima a zero.
Figura 14 - Transistor saturado.
Conclui-se então que o transistor deve operar na região de corte (chave aberta) ou saturação (chave
fechada). O resistor de base deve ser dimensionado adequadamente para garantir a saturação do transistor quando
o circuito de controle aplica tensão na base do mesmo.
Exemplo:
O circuito abaixo foi montado para acionar uma lâmpada a partir de um sinal de controle digital de 5V. Os
dados são: Q1: TIP29 (hFE(min)=40), L1=12V / 2,5W, VCC=12V.
Determinando a resistência da lâmpada: RL 
A corrente da lâmpada é: I L 
V 2 122

 57,6
P 2,5
P 2,5

 83,33mA
V 12
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Portanto a corrente de coletor IC=83,33mA. Portanto a corrente de base deve ser de:
IB 
I C 83,33mA

 2,075mA

40
Agora calculamos RB, para que IB=2,075mA quando o sinal de controle seja 5V:
RB 
VBB  VBE 5V  0,7V

 2072
IB
2,075mA
Reta de carga:
Corrente de saturação: VCE = 0, e IC = VCC / RC = 12 V / 57,6 = 83,33mA
Tensão de corte: IC = 0, e VCE = VCC = 12 V
Verificando:
Portanto, quando o circuito de controle aplicar 0V na base do transistor, teremos:
VBB  0  I B  0  I C  0 A VCE  VCC  RC I C  VCC
Resultando no ponto quiescente Q2, região de corte.
Quanto o circuito de controle aplicar 5V na base do transistor, teremos:
5  0, 7
I C   .I B  40.2,075mA  83,33mA
VCE  VCC  RC I C  0V
IB 
 2, 075 mA
2072
e portanto
o que leva a
I.e., o circuito opera no ponto Q1, região de saturação.